EPR-Paradoxon in der Physik

Das EPR-Paradoxon (oder das Einstein-Podolsky-Rosen-Paradoxon) ist ein Gedankenexperiment, das ein inhärentes Paradoxon in den frühen Formulierungen der Quantentheorie demonstrieren soll. Es gehört zu den bekanntesten Beispielen für Quantenverschränkung. Das Paradoxon besteht aus zwei Teilchen, die nach der Quantenmechanik miteinander verwickelt sind. Nach der Kopenhagener Interpretation der Quantenmechanik befindet sich jedes Teilchen einzeln in einem unsicheren Zustand, bis es gemessen wird. An diesem Punkt wird der Zustand dieses Teilchens sicher.

In genau diesem Moment wird auch der Zustand des anderen Teilchens sicher. Der Grund dafür, dass dies als Paradox eingestuft wird, ist, dass es anscheinend um die Kommunikation zwischen den beiden Teilchen mit einer höheren Geschwindigkeit als der Lichtgeschwindigkeit geht, was im Widerspruch zu Albert Einsteins Relativitätstheorie steht.

Der Ursprung des Paradoxons

Das Paradoxon stand im Mittelpunkt einer hitzigen Debatte zwischen Einstein und Niels Bohr. Einstein fühlte sich nie wohl mit der von Bohr und seinen Kollegen entwickelten Quantenmechanik (ironischerweise basierend auf der Arbeit von Einstein). Zusammen mit seinen Kollegen Boris Podolsky und Nathan Rosen entwickelte Einstein das EPR-Paradoxon, um zu zeigen, dass die Theorie mit anderen bekannten Gesetzen der Physik unvereinbar war. Zu dieser Zeit gab es keinen wirklichen Weg, das Experiment durchzuführen, es war also nur ein Gedankenexperiment oder ein Gedankenexperiment.

Einige Jahre später modifizierte der Physiker David Bohm das EPR-Paradox-Beispiel, so dass die Dinge etwas klarer wurden. (Die ursprüngliche Art und Weise, wie das Paradoxon präsentiert wurde, war selbst für professionelle Physiker etwas verwirrend.) In der populäreren Bohm-Formulierung zerfällt ein instabiles Spin-0-Teilchen in zwei verschiedene Teilchen, Teilchen A und Teilchen B, die in entgegengesetzte Richtungen weisen. Da das ursprüngliche Partikel den Spin 0 hatte, muss die Summe der beiden neuen Partikeldrehungen gleich Null sein. Wenn Teilchen A einen Spin von +1/2 hat, muss Teilchen B einen Spin von -1/2 haben (und umgekehrt).

Auch nach der Kopenhagener Interpretation der Quantenmechanik hat keines der Teilchen einen bestimmten Zustand, bis eine Messung durchgeführt wird. Sie befinden sich beide in einer Überlagerung möglicher Zustände mit der gleichen Wahrscheinlichkeit (in diesem Fall), einen positiven oder negativen Spin zu haben.

Die paradoxe Bedeutung

Hier gibt es zwei wichtige Punkte, die das beunruhigen:

1. Die Quantenphysik sagt, dass bis zum Zeitpunkt der Messung die Teilchen unterlassen Sie haben einen bestimmten Quantenspin, befinden sich aber in einer Überlagerung möglicher Zustände.
2. Sobald wir den Spin von Partikel A messen, wissen wir genau, welchen Wert der Spin von Partikel B hat.

Wenn Sie Partikel A messen, scheint es, als würde der Quantenspin von Partikel A durch die Messung "eingestellt", aber Partikel B "weiß" sofort, welchen Spin es annehmen soll. Für Einstein war dies ein klarer Verstoß gegen die Relativitätstheorie.

Theorie der versteckten Variablen

Niemand hat den zweiten Punkt wirklich in Frage gestellt; Die Kontroverse lag ganz beim ersten Punkt. Bohm und Einstein unterstützten einen alternativen Ansatz namens Hidden-Variablen-Theorie, der darauf schließen lässt, dass die Quantenmechanik unvollständig ist. Unter diesem Gesichtspunkt musste es einen Aspekt der Quantenmechanik geben, der nicht sofort offensichtlich war, der jedoch in die Theorie aufgenommen werden musste, um diese Art von nicht lokalem Effekt zu erklären.

Als Analogie betrachten Sie, dass Sie zwei Umschläge haben, die jeweils Geld enthalten. Ihnen wurde gesagt, dass einer von ihnen eine 5-Dollar-Rechnung und der andere eine 10-Dollar-Rechnung enthält. Wenn Sie einen Umschlag öffnen, der eine 5-Dollar-Rechnung enthält, wissen Sie sicher, dass der andere Umschlag die 10-Dollar-Rechnung enthält.

Das Problem bei dieser Analogie ist, dass die Quantenmechanik definitiv nicht so zu funktionieren scheint. Im Falle des Geldes enthält jeder Umschlag eine bestimmte Rechnung, auch wenn ich mich nie darum kümmere, in ihnen nachzuschauen.

Unsicherheit in der Quantenmechanik

Die Unsicherheit in der Quantenmechanik ist nicht nur ein Mangel an Wissen, sondern ein grundlegender Mangel an konkreter Realität. Nach der Kopenhagener Interpretation befinden sich die Partikel bis zur Messung tatsächlich in einer Überlagerung aller möglichen Zustände (wie im Fall der toten / lebendigen Katze im Schrödinger-Katzen-Gedankenexperiment). Während die meisten Physiker es vorgezogen hätten, ein Universum mit klareren Regeln zu haben, konnte niemand genau herausfinden, was diese verborgenen Variablen waren oder wie sie auf sinnvolle Weise in die Theorie einbezogen werden könnten.

Bohr und andere verteidigten die Kopenhagener Standardinterpretation der Quantenmechanik, die weiterhin durch experimentelle Beweise gestützt wurde. Die Erklärung ist, dass die Wellenfunktion, die die Überlagerung möglicher Quantenzustände beschreibt, an allen Punkten gleichzeitig existiert. Der Spin von Teilchen A und der Spin von Teilchen B sind keine unabhängigen Größen, sondern werden durch denselben Term innerhalb der Quantenphysikgleichungen dargestellt. In dem Moment, in dem die Messung an Partikel A durchgeführt wird, kollabiert die gesamte Wellenfunktion in einem einzigen Zustand. Auf diese Weise findet keine entfernte Kommunikation statt.

Bells Satz

Der Hauptnagel im Sarg der Hidden-Variablen-Theorie stammte vom Physiker John Stewart Bell, dem sogenannten Bellschen Theorem. Er entwickelte eine Reihe von Ungleichungen (Bell-Ungleichungen genannt), die darstellen, wie sich die Messungen des Spins von Teilchen A und Teilchen B verteilen würden, wenn sie nicht verwickelt wären. Experiment für Experiment werden die Bellschen Ungleichungen verletzt, was bedeutet, dass scheinbar eine Quantenverschränkung stattfindet.